一種在三維立柱陣列表面形成多孔結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池制造領(lǐng)域，更具體地涉及一種在三維立柱陣列表面形成多孔結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)，也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)或微機(jī)械，是在微電子技術(shù)(半導(dǎo)體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。
[0003]MEMS集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體，是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。MEMS可大批量生產(chǎn)，常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等，以及它們的集成產(chǎn)品O
[0004]MEMS技術(shù)的發(fā)展，帶來(lái)了很多技術(shù)和材料的變化，其中對(duì)于很多獨(dú)立的MEMS設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于尺寸特別小，給其提供能源比較困難，作為MEMS技術(shù)的分支，目前微能源部分主要包括燃料電池。但是燃料電池在補(bǔ)充燃料、生成氣體產(chǎn)物、使用壽命等方面都還存在不盡如人意的地方。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的之一在于提供一種一種在三維立柱陣列表面形成多孔結(jié)構(gòu)的方法，從而可以增大電極表面積，提高離子迀移率。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種在三維立柱陣列表面形成多孔結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0007](I)配制腐蝕液；
[0008](2)以半導(dǎo)體材料為基底，在其表面濺射一層金屬作為電極；
[0009](3)將電極與待制備多孔硅層的硅基基底面對(duì)面垂直放置在所述腐蝕液中，并與外部電源連接；
[0010](4)腐蝕20?60分鐘，在所述三維立柱陣列表面形成多孔結(jié)構(gòu)。
[0011]其中，步驟(2)中所述半導(dǎo)體材料為娃基、碳基或砷化鎵材料。
[0012]其中，當(dāng)采用硅基材料作為半導(dǎo)體材料時(shí)，步驟(I)中所述腐蝕液的配比為HF: H2O2:乙醇:H2O= 11: 1:4: 12，以重量配比計(jì)。
[0013]其中，步驟⑵中所述電極為Au或Pt電極。
[0014]其中，步驟(3)中外部電源的電流密度為20?150mA/cm2。
[0015]其中，步驟(3)中外部電源的電流密度為80mA/cm2。
[0016]其中，步驟(4)中形成的多孔結(jié)構(gòu)中多孔硅的厚度在I?50微米之間。
[0017]其中，步驟(4)中形成的多孔結(jié)構(gòu)中多孔硅的厚度為15微米。
[0018]其中，步驟(I)和步驟(2)不分先后順序。
[0019]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的MEMS鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:(I)本發(fā)明采用硅作為基底，利用體硅工藝，分別在2個(gè)硅基上加工出三維體結(jié)構(gòu)的正極、負(fù)極以及電池池體，其制備工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可批量化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；(2)在不同的硅基上，分別制備正極和負(fù)極，可避免修飾固定正極材料和負(fù)極材料相互混合干擾，造成電極短路，可大幅提高電池制備的一致性和可靠性；(3)在硅基底上加工出微型硅立柱陣列作為電極(正極和負(fù)極)的支架，可使電極由二維結(jié)構(gòu)變成三維結(jié)構(gòu)，大幅提高了電極的表面積，提高離子迀移數(shù)，使得電池的能量密度及功率密度得到大幅提高；(4)正極與負(fù)極形成叉指結(jié)構(gòu)，可縮短離子迀移路程，縮短電池的充電時(shí)間，并提高電池的功率密度；(5)采用石墨烯或碳納米管作為負(fù)極材料，可大幅提高負(fù)極的體表面積，減少電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高離子迀移數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1A-1D是本發(fā)明的MEMS鋰電池制造方法中制造半邊電池殼體的各個(gè)步驟的殼體截面示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的MEMS鋰電池完成后的包括正極的電池殼體的立體示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的MEMS鋰電池完成后的包括負(fù)極的電池殼體的立體示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明的MEMS鋰電池將兩個(gè)電池殼體封裝在一起的立體示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明的MEMS鋰電池的三維立柱陣列上的多孔疏松結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0025]圖6是本發(fā)明的MEMS鋰電池的三維立柱陣列(11-正極立柱，12-負(fù)極立柱)的頂視圖；
[0026]圖7是本發(fā)明的MEMS鋰電池的電池電極和隔離墻(13)的縱截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明的基本設(shè)計(jì)思想是在兩個(gè)基底上，利用MEMS工藝分別加工出有規(guī)律分布的三維立柱陣列及池體，這兩個(gè)不同基底上的立柱陣列被分別用來(lái)作為三維正極與負(fù)極的支架，然后再分別在陣列立柱上修飾固定不同的納米材料以形成正極和負(fù)極，再將兩者對(duì)準(zhǔn)密封，最后將電解質(zhì)材料由注樣孔注入，待注滿以后密封注樣孔即形成電池。進(jìn)一步優(yōu)選地，錯(cuò)位分布的立柱陣列可以形成叉指結(jié)構(gòu)，該叉指結(jié)構(gòu)相互交叉的深度由工藝制備中所形成凸臺(tái)的高度來(lái)決定和調(diào)節(jié)。
[0029]更具體地，本發(fā)明的MEMS鋰電池包括:
[0030]第一外殼，采用半導(dǎo)體材料制成，其上形成有一空腔且在所述空腔內(nèi)一體形成所述電池的正極；該半導(dǎo)體材料例如可以采用娃基、玻璃、碳基、砷化鎵等材料，其中優(yōu)選娃基材料。
[0031]第二外殼，采用與第一外殼相同材料的半導(dǎo)體材料制成，其上形成有一與所述第一外殼相對(duì)接的空腔且在所述空腔內(nèi)一體形成所述電池的負(fù)極；
[0032]電解質(zhì)，容納于第一外殼和第二外殼之間的空腔內(nèi)。
[0033]在本發(fā)明中，正極例如可以選用下列材料:
[0034](I) LiCoO2' LiN12' LiMnO2, LiFePO4等；
[0035](2)三元復(fù)合材料:如 Li [Ni^Ccv3Mrv3] O2、LiNihMnxO2、LiNihCox02、LiNi^CoxMnyO2等，其中 x、y 為實(shí)數(shù)，O < x < 1，0 < y < I。
[0036](3)將LiCo02、LiN12, LiMnO2, LiFePO4等通過(guò)摻雜、包覆等改性手段，形成新的正極材料，如LiFeP04/C、LiCo02/C、LiNi^CoxO2等復(fù)合材料。其中，摻雜的元素例如包括Mg、N1、Mn、Zr、T1、V、Mo、Ga 等。包覆的材料例如包括 C、CuO, A1203、Zr02、Co3O4、Li4Ti5O12' LaF3、AlF3 等。
[0037]其中，優(yōu)選采用Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]02#為正極材料。
[0038]在本發(fā)明中，負(fù)極例如可以選用下列材料:
[0039](I)石墨；
[0040](2)以石墨稀為起始物合成新型復(fù)合材料，如金屬或金屬氧化物與石墨稀的復(fù)合，引入的物質(zhì)例如包括S1、Ge、Sb、Sn、Pt以及Fe304、N1, Co3O4, SnO2等。金屬氧化物例如包括 SnO、SnO2> W02、MoO2' VO2> T12> LixFe2O3' Li4Mn2O12' Li4Ti5O12等。
[0041]其中，優(yōu)選采用3]102與石墨稀的復(fù)合材料作為負(fù)極材料。
[0042]正極和負(fù)極可以根據(jù)電池的種類和應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選取電極材料和形狀，正負(fù)極的形狀例如可以為膜狀、圓柱狀、三維立柱陣列等。作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，兩者均采用三維立柱陣列結(jié)構(gòu)，并以立柱陣列作為支架，分別在其表面修飾固定不同的納米材料以形成正極和負(fù)極。
[0043]負(fù)極和正極表面采用納米材料修飾后是導(dǎo)電的，因此可以通過(guò)其表面的金屬電極或?qū)щ娡繉訉⑵湟龅酵饷娴慕泳€柱上，從而形成電池的正極和負(fù)極向外輸送電源。
[0044]在本發(fā)明中，正極和負(fù)極優(yōu)選采用三維立柱陣列作為載體，三維立柱陣列中每一個(gè)立柱的形狀可以為圓柱體、圓錐體、圓臺(tái)、瓶子形、正六面棱柱、其它多面體棱柱、Y字形棱柱等，優(yōu)選采用圓柱體和Y字形棱柱結(jié)構(gòu)。各單元立柱的橫截面形狀可以是圓形、Y字形、矩形、方形、星形或其它形狀，對(duì)于橫截面形狀沒(méi)有特別的限定，只要有利于增大立柱體表面積的形狀即可。三維立柱陣列中每一個(gè)立柱的表面修飾有不同的納米材料，例如當(dāng)作為鋰電池時(shí)，正極所修飾的納米材料可以是單種納米材料或者復(fù)合納米材料，如可以是Ni/N1復(fù)合納米泡沫，Ni/Sn合金納米線，Au/Sn納米膜等，負(fù)極所修飾的納米材料可以是單種納米材料或者復(fù)合納米材料，如可以是石墨烯、碳納米管等；當(dāng)作為鎳氫電池時(shí)，正極采用Ni (OH)2,負(fù)極采用碳黑、CoS1、儲(chǔ)氫合金等。
[0045]立柱陣列在第一殼體和第二殼體之間的空腔中可以以有規(guī)律的形式排列，也可以無(wú)規(guī)律排列，作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，正極和負(fù)極分別形成錯(cuò)開(kāi)的兩個(gè)矩陣，作為一個(gè)更加優(yōu)選的實(shí)施例，正極和負(fù)極立柱陣列可以形成叉指結(jié)構(gòu)，所謂叉指結(jié)構(gòu)指電池正極的各立柱陣列與負(fù)極的立柱陣列錯(cuò)位交叉排列，從而可以大幅縮短離子迀移路程，縮短電池的充電時(shí)間，并可提高電池的功率密度。
[0046]作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明中的三維立柱陣列采用如圖6所示的Y字形棱柱